JP2005519225A - ガス交換弁を制御するための装置 - Google Patents

Abstract

ガス交換弁を制御するための装置であって、ガス交換弁（１０）に対応配置された少なくとも１つの弁調節装置（１６）と、該弁調節装置（１６）に、高圧下にある流体を供給する圧力供給装置（２５）とが設けられている。弁調節装置（１６）は、ガス交換弁（１０）に連結されていて弁閉鎖のための上側の圧力室（２２）と弁開放のための下側の圧力室（２３）とを制限している作動ピストン（２１）を備えた作業シリンダ（１７）と、圧力室（２２，２３）内の液圧を制御する制御弁（１９）とを有している。装置の製作コストと電気的な所要エネルギとを減じる目的で、上側の圧力室（２２）が直接に、下側の圧力室（２３）が絞り（１８）を介して圧力供給装置（２５）に接続されており、かつ制御弁（１９）が下側の圧力室（２３）と放圧管路（２７）とに接続されている。切換位置に応じて制御弁（１９）は下側の圧力室（２３）を付加的に放圧管路（２７）に接続するか、または下側の圧力室（２３）を放圧管路に対して遮断する。

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載された形式の、内燃機関内のガス交換弁を制御するための装置に関する。

この種の公知の装置（ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８２６０４７号明細書）の場合、複動式の作業シリンダの下側の圧力室または作業室、および作業シリンダの上側の圧力室または作業室は、戻しばね装置を備えた２ポート２位置切換ソレノイド弁として形成された制御弁を介して液圧式の圧力供給装置に敷設されている。作動ピストンの、上側の作業室を制限している圧力負荷面または作用面は、作動ピストンの、下側の作業室を制限している圧力負荷面または作用面よりも大きく形成されているので、制御弁の開弁に伴って作動ピストンには、作動ピストンを下側の圧力室内の圧力に抗して摺動させる押圧力が作用し、作動ピストンはガス交換弁を開弁する。上側の作業室は付加的に、やはり戻しばね装置を備えた２ポート２位置切換ソレノイド弁として形成された第二の制御弁を介して、流体タンクに開口した戻し案内管路に接続されている。作動ピストンを弁開弁方向で摺動させるためには、第二の制御弁は閉弁され、かつ第一の制御弁は開弁される。作動ピストンの異なる作用面の結果として、作動ピストンは下方に摺動させられて、ガス交換弁を、制御弁起動制御の持続時間に関連した弁ストロークでもって開弁する。弁ストロークの速度は、圧力供給ユニットにより流入制御された流体圧または液圧の高さに関連している。ガス交換弁を閉弁するために、両制御弁は切り換えられるので、上側の作業室は一方で圧力供給装置から遮断され、かつ他方では戻し案内管路に接続される。作動ピストンは、下側の作業室内に支配する圧力により上方に摺動させられて、ガス交換弁を閉弁する。

例えば内燃機関が長い間停止されている場合や圧力供給装置が故障した場合に、若干の漏れによって圧力システムが完全に放圧された後に、ガス交換弁を閉弁位置に維持するために、非常閉鎖ばねが設けられており、非常閉鎖ばねは圧縮ばねとして、下側の作業室内に組み込まれており、作動ピストンに支持されている。非常閉鎖ばねは、いずれの条件下においてもガス交換弁および弁調節装置内の摩擦モーメントを克服して、作動ピストンを、その如何なる摺動位置からも閉弁位置へと運動させることができるように寸法設定されている。

本発明の利点
請求項１の特徴部に記載された特徴を備えた、ガス交換弁を制御するための本発明による装置が有する利点は、類似の機能性にも関わらず、装置がガス交換弁ごとに唯一の電気的な制御弁を必要とするに過ぎないという点である。ガス交換弁ごとに１つの制御弁を削減することにより、制御弁の個数が半減されるばかりではなくて、制御弁を起動制御するための制御装置内で必要な出力段（Ｌｅｉｓｔｕｎｇｓｅｎｄｓｔｕｆｅ）の個数も半減される。これにより、製作コストにおけるかなりの節減可能性が得られ、このことにより、例えば１６個の弁を備えた四気筒内燃機関の場合、合計で８つの制御弁と８つの出力段とを有することになる。さらに、電気的な所要エネルギおよび電気的な配線コストが減じられる。制御弁の個数が少なくなることにより、組み込みスペースが減少するとともに、装置の故障可能性は低下する。全体的に装置は、公知の装置に比べて簡易である。

請求項２以下に記載された手段により、請求項１に記載された装置の有利な発展および改良が可能である。

本発明の有利な実施形態によれば、制御弁は電気的に操作される切換弁として形成されている。有利には、この切換弁は２ポート２位置切換ソレノイド弁である。制御弁の実現の、この最も簡単な形態の場合、ガス交換弁の可変のストロークは開弁時間が短い場合にのみ、弁ストロークを中断することによって達成され得る。ついでに言えば、ガス交換弁の開弁時間および閉弁時間のみが設定され得る。

より長い開弁時間の場合においても弁ストロークに影響を及ぼすことができるべきであるならば、本発明の有利な実施形態に基づいて、２ポート２位置切換ソレノイド弁がクロック制御式に切り換えられて、その際有利には、クロック周波数は所望の弁ストロークに関連して、作動ピストンの調節経路が所望の弁ストロークに一致した時に、一方では絞りを介して流れる流体流と他方では２ポート２位置切換ソレノイド弁を介して流れる流体流とが同じ大きさであるように選択される。

本発明の択一的な実施形態によれば、クロック制御式の２ポート２位置切換ソレノイド弁の代わりに、電気的に操作される比例弁が使用されてもよい。可変の弁ストロークを得るために、比例弁は、作動ピストンの調節経路が所望の弁ストロークに一致した時に、一方では絞りを介して流れる流体流と他方では比例弁を介して流れる流体流とが同じ大きさであって、これにより、上側の圧力室と下側の圧力室との間で力の均衡が生じるように起動制御される。

実施例の説明
以下に図面を参照しながら本発明の実施例について詳説する。

図１にブロック線図で示した装置は内燃機関内のガス交換弁１０を制御するために働く。自動車のための内燃機関は一般的に４つまたはそれより多くの燃焼シリンダを有しており、その内、図１には抜粋的に１つの燃焼シリンダのシリンダヘッド１１が示されている。燃焼シリンダ内には、シリンダヘッド１１により閉鎖された燃焼室１２が形成されており、燃焼室１２は少なくとも１つの吸気横断面および１つの排気横断面を有しており、吸気横断面および排気横断面はその都度１つのガス交換弁１０により制御されている。各ガス交換弁１０は公知の形式で、軸方向で摺動可能に案内された弁ステム１３１上に載設された弁閉鎖体１３２を備えた弁部材１３を有しており、弁閉鎖体１３２は、吸気横断面または排気横断面をシリンダヘッド１１内で取り巻いている弁座１４と協働する。弁ステム１３１を一方または他方の方向に摺動させることにより、弁閉鎖体１３２は弁座１４から持ち上がるかまたは密に弁座１４上に座着する。

ガス交換弁１０の操作は電気液圧式の弁制御装置により行われ、この電気液圧式の弁制御装置は図１に回路図で示されている。弁制御装置には、各ガス交換弁１０に対して、アクチュエータとも呼ばれる１つの液圧式の弁調節装置１６が対応配置されている。液圧入口１６１および液圧出口１６２を備えた液圧式の弁調節装置１６は、複動式の作業シリンダ１７、絞り１８および制御弁１９を有している。作業シリンダ１７は公知の形式でシリンダハウジング２０と、このシリンダハウジング２０内に軸方向で摺動可能に案内されていて、しかも対応配置されたガス交換弁１０の弁ステム１３１に連結された作動ピストン２１とを有しており、この作動ピストン２１はシリンダハウジング２０の内室を上側の圧力室２２と下側の圧力室２３とに分割している。上側の圧力室２２は直接的に、かつ下側の圧力室２３は絞り１８を介して液圧入口１６１に接続されている。図１では２ポート２位置切換ソレノイド弁２４として形成されている制御弁は、一方では下側の圧力室２３に、他方では液圧出口１６２に接続されている。液圧出口１６２には放圧管路が接続されており、放圧管路は本例では流体戻し流管路２７として形成されている。全ての弁調節装置１６は圧力供給装置２５により、高圧下にある流体、有利には液圧作動油を供給される。このために、各弁調節装置１６の液圧入口１６１は圧力供給装置２５の流体出口２５１に接続されている。圧力供給装置２５は、流体戻し案内管路２７が開口している流体タンク２６と、流体を流体タンク２６から吸入して高圧下で圧力供給装置２５の流体出口２５１に圧送する高圧ポンプ２８と、流体出口２５１に接続されていてエネルギ蓄え器および脈流減衰器として働く高圧蓄え器２９とを有している。高圧ポンプ２８の出口と、圧力供給装置２５の流体出口２５１との間には、さらに１つの逆止弁３０が、ポンプ出口の方向に向けられた遮断方向を備えて配置されている。

以下に弁制御装置の作動形式について説明する。

圧力供給装置２５は複動式の作業シリンダ１７に、圧力下にある流体を供給する。図１に示した静止状態にある場合、上側の圧力室２２内の圧力と下側の圧力室２３内の圧力とは同じ大きさである。弁ステム１３１の連結部により、作動ピストン２１の、上側の圧力室２２を制限している圧力負荷面または作用面は、下側の圧力室２３を制限している圧力負荷面または作用面よりも大きいので、下側の圧力室２３内には、戻しばねとして機能する圧縮ばね３１が配置されており、この圧縮ばね３１は一端でシリンダハウジング２０に、他端で作動ピストン２１に支持されている。圧縮ばね３１は、両圧力室２２，２３内の圧力が等しい場合に、作動ピストン２１を、図１に示したその上側の死点位置に保つように寸法設定されており、この上側の死点位置でガス交換弁１０は閉弁されており、要するに弁部材１３の弁閉鎖体１３２は密に、シリンダヘッド１１に設けられた弁座１４に座着している。圧縮ばね３１は、同時に非常閉鎖ばねとして、内燃機関の比較的長い停止時または圧力供給装置２５の故障時にガス交換弁１０をその閉弁状態に戻すという要求をも満たす。

ガス交換弁１０を開弁するために、２ポート２位置切換ソレノイド弁２４は、図１に示されたその切換位置から切り換えられ、その結果、下側の圧力室２３は、流体戻し案内管路２７に接続されることによって放圧される。下側の圧力室２３内で圧力が崩壊することにより、作動ピストン２１は下方へ運動し、ガス交換弁１０を開弁する。ガス交換弁１０を閉弁するためには、２ポート２位置切換ソレノイド弁２４が再び元に戻され、それにより、下側の圧力室２３は流体戻し案内管路２７から遮断される。絞り１８を介して、高圧下にある流体が下側の圧力室２３内に流入して、作動ピストン２１は圧縮ばね３１による助成の下で、ガス交換弁１０を閉弁するその上側の死点位置へと戻し案内される。

図３のグラフには一方に、時間ｔに関連したガス交換弁１０の弁部材１３のストローク経路ｈ（上側のグラフ）、および他方に、時間ｔに関連したソレノイド弁起動制御（下側のグラフ）が示されている。時点ｔ_０でソレノイド弁２４は通電され、それにより、その遮断位置から切り換えられるので、下側の圧力室２３は流体戻し案内管路２７に接続されている。作動ピストン２１は下側の圧力室２３内の圧力減成により、ガス交換弁１０を開弁する方向で運動する。時点ｔ_１でソレノイド弁２４の起動制御を終了し、ソレノイド弁２４をその遮断位置へと戻すと、作動ピストン２１および弁部材１３はストロークｈ_１を実行したことになる。下側の圧力室２３内で圧力が上昇する結果、今度は、作動ピストン２１および弁部材１３がガス交換弁１０の閉弁方向で運動を開始する。これに対して、時点ｔ_２で初めてソレノイド弁２４が元に戻されると、ストローク経路はｈ_２に達して、ガス交換弁１０はさらに開弁される。若干大きな開弁時間ｔ_３の場合、弁部材１３はその最大のストロークｈ_ｍａｘに達する。このことから判るように、ガス交換弁１０の、実現しようとしている可変のストロークは、弁開弁時間が小さい（ｔ_３よりも小さい）場合においてのみ達成されることができる。ただし、可変の弁駆動に対する大抵の要求にはこれで間に合う。

ガス交換弁１０の弁部材１３のストロークに対して、より長い開弁時間、要するに図３に示したｔ_３よりも大きな開弁時間の場合においても、影響を及ぼすことができるようにしたい場合には、ソレノイド弁はクロック制御式（ｇｅｔａｋｔｅｔ）に起動制御される。この場合、クロック周波数（Ｔａｋｔｆｒｅｑｕｅｎｚ）は所望の弁ストロークに関連して選択、つまり、作動ピストン２１の調節経路が所望の弁ストロークに一致した際に、一方では絞り１８を介して流れる流体流と他方では２ポート２位置切換ソレノイド弁２４を介して流れる流体流とが同じ大きさであって、それにより、作動ピストン２１において上側の圧力室２２と下側の圧力室２３との間で力均衡が生じるように選択される。

クロック制御式の２ポート２位置切換ソレノイド弁２４の代わりに、電気的に操作される比例弁が使用されてもよい。この比例弁は、作動ピストン２１の調節経路が所望の弁ストロークに一致した際に、一方では絞り１８を介して流れる流体流と他方では比例弁を介して流れる流体流とが、上側の圧力室２２と下側の圧力室２３との間で力均衡を生ぜしめるように起動制御される。このような場合とは、絞り１８を介して流れる流体流が、比例弁を介して流れる流体流に等しい場合が該当する。適当に開放制御された比例弁により、弁部材１３のあらゆる任意のストロークが調節可能であって、かつ任意の開弁持続時間にわったって保つことができる。

図２に概略的に示した複動式の作業シリンダ１７′は、図１に示した作業シリンダ１７の代わりに弁制御装置１５内で使用されることができる。作業シリンダ１７′は、圧縮ばね３１が省略され、かつ作動ピストン２１が、上側の圧力室２２を制限する作用面３２１と、下側の圧力室２３を制限する作用面３２２とを備えた段付ピストンもしくは差動ピストン３２として形成されている点で改変されている。下側の作用面３２２は上側の作用面３２１よりも明らかに大きく形成されている。上側の圧力室２２内の圧力と下側の圧力室２３内の圧力が等しい場合、段付ピストン３２は、下側の圧力室２３を制限している相対的に大きな作用面３２２の結果として、確実にその上側の死点位置へと摺動させられて、この死点位置で確実に保たれるので、ガス交換弁１０も確実にその閉弁位置に保たれる。先述したようなシステム故障時または内燃機関の長い静止状態時における非常機能を保証するために、図１に示した圧縮ばね３１と同じような圧縮ばねを設けることはできるけれども、この圧縮ばねは明らかに弱く寸法設定することができて、段付ピストン３２をその上側の死点位置に保つことさえ保証されればよい。

内燃機関内のガス交換弁を制御するための装置の回路図である。

図１に示した弁調節装置の、択一的な実施例を示す図である。

図１に示した弁調節装置の作動形式を説明するための二つのグラフである。

Claims (11)

1. 内燃機関内のガス交換弁を制御するための装置であって、ガス交換弁（１０）に対応配置された少なくとも１つの弁調節装置（１６）が設けられており、該弁調節装置（１６）が、ガス交換弁（１０）に連結されていて開弁方向でのガス交換弁（１０）の操作のための上側の圧力室（２２）と閉弁方向でのガス交換弁（１０）の操作のための下側の圧力室（２３）とを制限している作動ピストン（２１）を備えた、複動式で液圧式の作業シリンダ（１７）と、圧力室（２２，２３）内の液圧を制御する制御弁（１９）とを有しており、さらに、作業シリンダ（１７）の圧力室（２２，２３）に、高圧下にある流体を供給する圧力供給装置（２５）が設けられている形式のものにおいて、上側の圧力室（２２）が直接に、下側の圧力室（２３）が絞り（１８）を介して圧力供給装置（２５）に接続されており、かつ制御弁（１９）が一方では下側の圧力室（２３）に、他方では放圧管路（２７）に接続されていて、切換位置に応じて下側の圧力室（２３）と放圧管路（２７）との間の接続を形成するかまたは遮断することを特徴とする、ガス交換弁を制御するための装置。
2. 制御弁（１９）が、電気的に操作される切換弁として形成されている、請求項１記載の装置。
3. 前記切換弁が２ポート２位置切換ソレノイド弁（２４）である、請求項１記載の装置。
4. ２ポート２位置切換ソレノイド弁（２４）が、可変の弁ストロークを得るためにクロック制御式に切り換えられる、請求項３記載の装置。
5. クロック周波数が所望の弁ストロークに関連して調節されていて、それにより、作動ピストン（２１）の調節経路が所望の弁ストロークに一致した際に、一方では絞り（１８）を介して流れる流体流と、他方では２ポート２位置切換ソレノイド弁（２４）を介して流れる流体流とが同じ大きさであるようにする、請求項４記載の装置。
6. 電気的に操作される切換弁が比例弁であって、該比例弁が、可変の弁ストロークを得るために起動制御されていて、それにより、作動ピストン（２１）の調節経路が所望の弁ストロークに一致した際に、一方では絞り（１８）を介して流れる流体流と、他方では比例弁を介して流れる流体流とが同じ大きさであるようにする、請求項２記載の装置。
7. 作業シリンダ（１７）内に、作動ピストン（２１）を上側の圧力室（２２）内の圧力に抗して負荷する戻しばね（３１）が配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 戻しばねが、下側の圧力室（２３）内に配置された圧縮ばね（３１）であり、該圧縮ばね（３１）が一端で下側の圧力室（２３）内に、他端で作動ピストン（２１）に支持されている、請求項７記載の装置。
9. 作動ピストン（２１）が、上側の圧力室（２２）を制限する圧力負荷面（３２１）と、下側の圧力室（２３）を制限する圧力負荷面（３２２）とを有しており、かつ下側の圧力負荷面（３２２）が上側の圧力負荷面（３２１）よりも大きい、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 作動ピストン（２１）が段付ピストン（３２）として形成されている、請求項９記載の装置。
11. 放圧管路が、圧力供給装置（２５）の流体タンク（２６）に開口している流体戻し案内管路（２７）である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。

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